一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥:專利背景,發明內容,專利目的,技術方案

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》是吉林大學於2014年7月12日申請的發明專利，該專利申請號為2014103313154，公布號為CN104084258A，公布日為2014年10月8日，發明人是邱小明、丁家偉、任振安、王明瑜、邢飛、魏阿娟。

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》運用工程仿生學原理在輥體與耐磨層間科學設計過渡層和緩衝層以及綜合考慮材料間的性能匹配，提高擠壓輥的抗高應力磨粒磨損和應力疲勞破壞能力。由輥體、過渡層、緩衝層、耐磨層和形態層組成，形態層具有條紋狀結構形態，條紋高度H=5-10毫米，條紋寬度M=10-15毫米，條紋間距L=5-15毫米，高（H）/寬（M）≤0.8；所述過渡層厚度h1=10-15毫米、緩衝層厚度h2=10-15毫米、耐磨層厚度h3=15-20毫米；所述輥面耐磨層和表面形態層是按如下成分（質量百分比）高鉻合金鑄鐵藥芯焊絲堆焊而成：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Ni：1.8-2.2，Nb：1.0-2.0，Mo：1.5-1.8，Si：1.0-2.0，Ti：1.2-1.6，V：0.5-1.0，Ta：0.2-0.5，Fe：餘量。

2021年6月24日，《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》摘要附圖）

基本介紹

中文名：一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥
申請人：吉林大學
發明人：邱小明、丁家偉、任振安、王明瑜、邢飛、魏阿娟
申請號：2014103313154
申請日：2014年7月12日
公布號：CN104084258A
公布日：2014年10月8日
地址：吉林省長春市前進大街2699號
代理機構：長春吉大專利代理有限責任公司
代理人：朱世林、王壽珍
Int. Cl.：B02C4/30、C22C37/10
類別：發明專利

專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,

專利背景

輥壓機是二十世紀八十年代中期發展起來的新型水泥粉磨裝備，具有高效節能的特點，套用於分級打散的水泥生產線可節電30％-50％，提高后續球磨機的生產效率50％以上。輥壓機的工作原理是物料從輥壓機兩輥上方給入，被連續帶入相向同步轉動的擠壓輥之間，在高強度壓應力的作用下擠壓和粉碎物料，使其變成密實、扁平、充滿微細裂紋的料餅從機下排出。輥壓機的核心部件是擠壓輥。擠壓輥工作過程中承受著劇烈的高應力磨粒磨損和應力疲勞破壞，輥面的耐磨和抗疲勞性差嚴重影響水泥正常生產，一直倍受製造商和用戶重視。對於擠壓輥輥面耐磨技術，中國國內外各大水泥裝備公司均投入大量的資金和精力加以研究，先後開發出整體鑄造式、整體堆焊式、堆焊鑲套式、硬質合金柱釘式、分塊式以及硬質合金燒結式等。其中整體鑄造、整體堆焊屬於早期技術。硬質合金柱釘式和硬質合金燒結式，因對物料中異物的敏感性強或因造價昂貴，未被廣泛使用。分塊式輥面由於受力的不合理性，在1996年以後即被否定。2014年7月前，從耐磨設計的合理性以及使用、維護和更換等諸多因素綜合考慮，堆焊鑲套式結構認為適應性強、綜合性能最好。堆焊鑲套式輥面實現了擠壓輥輥體與輥面耐磨層的分離，可以使用不同的材料和工藝，分別滿足擠壓輥輥體的綜合力學性能和輥面耐磨性能的需要。擠壓輥輥面結構形態對其耐磨性的影響非常顯著。產生磨損須同時具備兩個要素，即壓力和相對滑動。粉碎物料所需的壓力是由被粉碎物料的性能所決定，不可改變，減小物料在擠壓過程中與輥面的相對滑動，是減小磨損、延長擠壓輥輥面壽命的有效途徑。合理的輥面結構形態參數對物料的咬合角大，使物料落入輥間隙更加均衡平穩，減輕並消除輥面的不均勻磨損，保持設備運行穩定，提高擠壓效率和粉磨質量。

當前堆焊鑲套式輥面技術存在的主要問題是輥體材料與輥面耐磨層的化學成分和性能存在較大差異，材料相互間的兼容性和結合性較差，在提高輥面耐磨層材料耐磨性的同時又將在結合面處產生較大的應力集中，降低輥體材料與表面耐磨層的結合強度，導致耐磨層大面積剝落，結果是整機能源消耗大、降低粉磨效率和質量，呈現“出力不出活”。因此，如何提高輥壓機核心部件擠壓輥表面耐磨層的耐磨性及其與輥體材料間的結合強度，延長擠壓輥的使用壽命，提高設備利用率，在水泥行業實施綠色製造，促進循環經濟發展，是科研工作者不可推卸的責任和長期而艱巨的任務。

發明內容

專利目的

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》的目的是提供一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥，運用工程仿生學原理在輥體與耐磨層間科學設計過渡層和緩衝層以及綜合考慮材料間的性能匹配，提高擠壓輥的抗高應力磨粒磨損和應力疲勞破壞能力。

技術方案

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》所述的一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥是採用多材料組合設計，擠壓輥由輥體、過渡層、緩衝層、耐磨層和輥面形態耦合而成。擠壓輥採用多材料組合設計及其輥面形態參數設計是通過對生物體材料的結構和摩擦行為研究提出的仿生新思想。通過對某些生物如沙漠蜥蜴、潮間帶貝類、脈紅螺以及石鱉等研究發現，生物體表具有優良的耐磨和抗疲勞特性是與其體表的多層不同硬度材料組成的梯度材料結構以及在體表形態上表現出多尺度的結構有密切相關。沙漠蜥蜴（新疆岩蜥）的體表是由外部的角皮層、角質層構成硬殼支撐體，較軟結締組織填充於硬殼內部，這種多層不同硬度材料組成的梯度材料結構，外部約束內部材料，在軸心受壓載荷作用下，內部材料在多方向受壓，可延緩其受壓時的縱向開裂，提高使用階段的彈性工作性能，能承受較大的塑性變形；同時內部可以延緩和避免外部過早地發生局部屈曲，使內外系統具有較高的承載能力，一般都高於組成系統的內外部成分單獨承載能力之和。毛蚶屬雙殼綱，營埋棲生活，在鑽沙過程中，必然與水、砂發生摩擦，體表由四層不同的材料組成的梯度材料結構，體表表面形態呈現縱向棱紋狀。毛蚶這種特殊的梯度材料結構和體表形態對其耐磨特性具有重要作用。根據生物體表的多材料耦合結構並結合輥壓機擠壓輥的工作性能、磨損機制及失效形式，由此提出了一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥。

擠壓輥的工作性質要求輥體具有較好的綜合性能，輥面要求具有較好的耐磨性能。擠壓輥輥體採用42CrMo、40Cr等中碳低合金鋼鍛件，此類材料具有較好的力學性能，但焊接性較差，直接在其表面堆焊耐磨材料極易產生裂紋，為了避免產生裂紋，需要預熱堆焊，而預熱溫度高將會使合金鋼輥體強度下降，因此不能在合金鋼輥體表面直接堆焊耐磨材料。通過在輥體表面堆焊一層較軟的過渡層，堆焊預熱溫度較低，既不會影響合金鋼輥體的力學性能，也不會產生裂紋。過渡層材料選用成型工藝良好的低碳低合金鋼。過渡層與耐磨層材料的成分、組織和性能差別較大，中間須有一個緩衝層，使二者的成分與性能不會出現界面突變。緩衝層採用強度較高、能對耐磨層起良好支撐作用的高合金鋼材料，其作用是能夠吸收耐磨層傳遞過來的能量，防止耐磨層吸收較大能量而出現裂紋和疲勞，造成早期失效。擠壓輥最外層為耐磨層與形態層。根據擠壓輥的實際工況條件，過渡層厚度h1=10-15毫米、緩衝層厚度h2=10-15毫米、耐磨層厚度h3=15-20毫米；輥面形態為條紋狀，輥面形態參數根據粉磨物料的形狀和尺寸而定（物料呈現不規則形狀，平均直徑20-30毫米），設計原則就是減小物料在擠壓過程中與輥面的相對滑動，對物料的咬合角大，使物料落入輥間隙更加均衡平穩，按此原則：條紋高度H=5-10毫米，條紋寬度M=10-15毫米，條紋間距L=5-15毫米，高（H）/寬（M）≯0.8。

該發明所述的一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥，輥面耐磨層和表面形態層材料採用堆焊藥芯焊絲，其成分按質量百分比計（質量百分比）：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Ni：1.8-2.2，Nb：1.0-2.0，Mo：1.5-1.8，Si：1.0-2.0，Ti：1.2-1.6，V：0.5-1.0，Ta：0.2-0.5，Fe：餘量。所述的輥面耐磨層和表面形態層材料是在高鉻合金鑄鐵藥芯焊絲基礎上通過添加與C的親和力大的元素Ti、Ta、V和Nb等，改變碳化物的類型和數量，生成尺寸較小的碳化物和獲得更多的金屬碳化物，改善裂紋的敏感性。

該發明所述的一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥，其製備方法是：擠壓輥由輥體、過渡層、緩衝層、耐磨層和形態層組成。輥體為結構鋼，採用42CrMo、40Cr等中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲或不鏽鋼焊絲堆焊成型；耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型。

改善效果

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》運用工程仿生學原理對擠壓輥輥體進行梯度材料結構設計和表面形態參數設計，各層材料間界面結合強度＞200兆帕；各層材料間接頭伸長率＞3.0％；表層耐磨層硬度HRC＞60。

附圖說明

圖1是《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》的擠壓輥結構示意圖。

圖2是《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》的擠壓輥表面耐磨層結構形態。

圖中：h1-過渡層；h2-緩衝層；h3-耐磨層；h4-形態層；H-條紋高度；M-條紋寬度；L-條紋間距；R-擠壓輥半徑。

技術領域

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》涉及一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥，運用工程仿生學原理在輥體與耐磨層間科學設計過渡層和緩衝層以及綜合考慮材料間的性能匹配，提高擠壓輥的抗高應力磨粒磨損和應力疲勞破壞能力，屬於材料科學與工程領域。

權利要求

1.《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》特徵在於：由輥體、過渡層、緩衝層、耐磨層和形態層組成，形態層具有條紋狀結構形態，條紋高度H=5-10毫米，條紋寬度M=10-15毫米，條紋間距L=5-15毫米，高（H）/寬（M）≤0.8；所述過渡層厚度h1=10-15毫米；緩衝層厚度h2=10-15毫米；耐磨層厚度h3=15-20毫米；輥面耐磨層和表面形態層是按如下成分（質量百分比）高鉻合金鑄鐵藥芯焊絲堆焊而成：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Ni：1.8-2.2，Nb：1.0-2.0，Mo：1.5-1.8，Si：1.0-2.0，Ti：1.2-1.6，V：0.5-1.0，Ta：0.2-0.5，Fe：餘量；所述輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=10毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=10毫米；耐磨層厚度h3=15毫米；輥面形態為條紋狀，條紋高度H=5毫米，條紋寬度M=10毫米，條紋間距L=5毫米，高（H）/寬（M）=0.5；耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

2.《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》特徵在於：由輥體、過渡層、緩衝層、耐磨層和形態層組成，形態層具有條紋狀結構形態，條紋高度H=5-10毫米，條紋寬度M=10-15毫米，條紋間距L=5-15毫米，高（H）/寬（M）≤0.8；所述過渡層厚度h1=10-15毫米；緩衝層厚度h2=10-15毫米；耐磨層厚度h3=15-20毫米；所述輥面耐磨層和表面形態層是按如下成分（質量百分比）高鉻合金鑄鐵藥芯焊絲堆焊而成：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Ni：1.8-2.2，Nb：1.0-2.0，Mo：1.5-1.8，Si：1.0-2.0，Ti：1.2-1.6，V：0.5-1.0，Ta：0.2-0.5，Fe：餘量；所述輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=15毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=15毫米；耐磨層厚度h3=20毫米；輥面形態為條紋狀，條紋高度H=10毫米，條紋寬度M=15毫米，條紋間距L=15毫米，高（H）/寬（M）=0.67；耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

3.《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》特徵在於：由輥體、過渡層、緩衝層、耐磨層和形態層組成，形態層具有條紋狀結構形態，條紋高度H=5-10毫米，條紋寬度M=10-15毫米，條紋間距L=5-15毫米，高（H）/寬（M）≤0.8；所述過渡層厚度h1=10-15毫米；緩衝層厚度h2=10-15毫米；耐磨層厚度h3=15-20毫米；所述輥面耐磨層和表面形態層是按如下成分（質量百分比）高鉻合金鑄鐵藥芯焊絲堆焊而成：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Ni：1.8-2.2，Nb：1.0-2.0，Mo：1.5-1.8，Si：1.0-2.0，Ti：1.2-1.6，V：0.5-1.0，Ta：0.2-0.5，Fe：餘量；所述輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=10毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=15毫米；耐磨層厚度h3=20毫米；輥面形態為條紋狀，條紋高度H=5毫米，條紋寬度M=15毫米，條紋間距L=10毫米，高（H）/寬（M）=0.34；耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

4.《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》特徵在於：由輥體、過渡層、緩衝層、耐磨層和形態層組成，形態層具有條紋狀結構形態，條紋高度H=5-10毫米，條紋寬度M=10-15毫米，條紋間距L=5-15毫米，高（H）/寬（M）≤0.8；所述過渡層厚度h1=10-15毫米；緩衝層厚度h2=10-15毫米；耐磨層厚度h3=15-20毫米；所述輥面耐磨層和表面形態層是按如下成分（質量百分比）高鉻合金鑄鐵藥芯焊絲堆焊而成：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Ni：1.8-2.2，Nb：1.0-2.0，Mo：1.5-1.8，Si：1.0-2.0，Ti：1.2-1.6，V：0.5-1.0，Ta：0.2-0.5，Fe：餘量；所述輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=10毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=15毫米；耐磨層厚度h3=15毫米；輥面形態為條紋狀，條紋高度H=5毫米，條紋寬度M=10毫米，條紋間距L=10毫米，高（H）/寬（M）=0.5；耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

實施方式

實施例1

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》的輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=10毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=10毫米；耐磨層厚度h3=15毫米，輥面形態為條紋狀，條紋高度H=5毫米，條紋寬度M=10毫米，條紋間距L=5毫米，高（H）/寬（M）=0.5，耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

實施例2

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》的輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=15毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=15毫米；耐磨層厚度h3=20毫米，輥面形態為條紋狀，條紋高度H=10毫米，條紋寬度M=15毫米，條紋間距L=15毫米，高（H）/寬（M）=0.67，耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

實施例3

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》的輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=10毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=15毫米；耐磨層厚度h3=20毫米，輥面形態為條紋狀，條紋高度H=5毫米，條紋寬度M=15毫米，條紋間距L=10毫米，高（H）/寬（M）=0.34，耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

實施例4

《一種具有多材料耦合結構的耐磨、抗疲勞擠壓輥》的輥體為結構鋼，採用42CrMo中碳低合金鋼鍛件；過渡層採用市售的低碳鋼焊絲堆焊成型，厚度h1=10毫米；緩衝層採用市售的高鉻高錳焊絲堆焊成型，厚度h2=15毫米；耐磨層厚度h3=15毫米，輥面形態為條紋狀，條紋高度H=5毫米，條紋寬度M=10毫米，條紋間距L=10毫米，高（H）/寬（M）=0.5，耐磨層和形態層採用上述合金成分的藥芯焊絲堆焊成型，按質量百分比計（質量百分比）：C：3.2，Cr：20.5，Ni：2.2，Nb：1.2，Mo：1.5，Si：1.2，Ti：1.2，V：0.5，Ta：0.2，Fe：餘量。

專利榮譽